分层缺陷对复合材料壳体裙连接区轴向承载性能影响分析

为掌握固体发动机复合材料壳体裙连接区在复合材料界面分层缺陷状态下的承载性能,基于损伤失效分析方法研究了裙连接区不同界面、不同位置存在不同大小的复合材料分层/脱粘缺陷时的承载能力,分析了缺陷对裙连接区结构局部屈曲、裂纹扩展及损伤失效的影响规律。结果表明,复合材料层间界面存在临界缺陷尺寸,当缺陷小于临界尺寸时,结构承载能力基本不变,当缺陷大于该临界尺寸时,连接区的失效形式和极限载荷均受到较大影响;对于复合材料轴向补强层与环向缠绕层之间的初始分层缺陷而言,当缺陷位置处于裙连接区过渡层轴向位置之后时,裙连接区的承载方式无明显变化,仍受整体屈曲的控制;但缺陷位置与裙连接区过渡层轴向位置相同时,则易发生局部屈曲,对连接区承载能力影响较大。     

固体火箭发动机复合材料壳体裙连接区结构数值分析

对某固体火箭发动机纤维缠绕复合材料壳体轴压载荷作用下裙与筒段连接区(裙连接区)进行了有限元结构分析。依照壳体的结构特征和受力特性建立了裙连接区3D简化分析模型,通过对某芳纶纤维壳体仿真结果和实验数据的对比分析,验证了模型简化的合理性和有限元结果的正确性;最后对某炭纤维缠绕复合材料壳体裙连接区进行了数值分析和壳体连接区结构方案改进。结果表明,增加补强层厚度和提高补强层纤维模量可有效降低应变极值,改善结构应力分布,经改进的结构设计方案承载能力可提高20%。     

复杂载荷下复合材料组合壳体局部补强的数值分析

分析某固体火箭发动机的复合材料组合壳体在轴压、外压及弯矩联合作用下的变形情况发现,该结构铺层设计不够合理,造成复合材料铺层变形不协调,导致结构过早破坏。通过数值模拟方法,对在复杂栽荷作用下结构复合材料局部铺层改变进行补强研究,提出相应的优化局部铺层补强的方案。计算结果表明,所提出的局部改变铺层的方法可以较大幅度地提高结构承载能力,为结构设计的改进提供参考。     

力热联合载荷下炭纤维缠绕壳体轴压稳定性分析

为了研究炭纤维缠绕壳体在力热联合载荷下的轴压稳定性,通过试验测试了炭纤维复合材料单层板在不同温度下的弹性常数,计算出炭纤维复合材料壳体在不同温度下的等效弹性常数。基于层合板理论计算了炭纤维复合材料壳体的临界轴压,设计了力热联合载荷下炭纤维缠绕壳体试验方案,测试了壳体在不同温度下的轴压破坏载荷。结果表明,炭纤维复合材料壳体的临界轴压随温度升高逐渐降低;当使用温度超过树脂玻璃化温度后,壳体轴压破坏载荷呈指数级下降;在临界轴压理论计算公式的基础上取修正系数为0.04,可准确预示炭纤维复合材料壳体的轴压破坏载荷。相关结论和方法可为固体发动机复合材料壳体和外防热结构设计提供依据。     

复合材料壳体轴压稳定性分析

利用有限元结构分析法,引入线性屈曲模态作为结构的初始几何缺陷,对复合材料壳体的轴压稳定性进行了非线性分析。将计算结果与线性屈曲分析及实验结果进行了对比,结果表明,由于初始缺陷等非线性因素的影响,结构的线性临界载荷高于非线性临界载荷,进行非线性分析是必要的。文中对壳体承受轴压能力进行了初步估计,可为复合材料壳体的稳定性工程设计提供参考。     

轴压载荷作用下全复合材料裙与壳体搭接区的结构分析

对轴压载荷作用下固体火箭发动机复合材料裙与壳体搭接区的受力变形情况及承载能力进行了有限元分析,应用板壳理论对搭接区进行了分析,证明有限元计算结果合理可信;对裙搭接长度在40~60 mm范围内进行了寻优计算。结果说明,搭接区裙外铺层是搭接区最薄弱的环节;影响搭接区承载能力的主要结构因素有裙尖厚度、裙外铺层厚度、直段橡胶长度;随裙搭接长度的增大,搭接区承载能力呈现先增大后减小的趋势,存在搭接区承载能力的极大值。该分析方法和结果可供搭接区分析设计参考。     

碳纤维复合材料壳体轴压稳定性分析与试验验证

针对碳纤维复合材料壳体轴压稳定性问题,提出了理论推导、数值模拟和试验验证相结合工程计算方法,获得了铺层相关参数对轴压稳定性的影响规律。基于层合板理论,计算了碳纤维复合材料壳体的等效弹性常数;以150 mm碳纤维复合材料圆筒为研究对象,通过壳体破坏性轴压试验,验证了理论计算和有限元数值模拟的正确性;计算了碳纤维缠绕角及增加0°铺层对复合材料弹性常数的影响规律。研究结果表明,通过引入修正系数k=0.4,理论计算结果与实际轴压破坏载荷较为接近;通过增加0°铺层数,能够大幅度地提高壳体刚度,且对刚度提升的贡献远大于所引起的重量增加。复合材料刚度是决定壳体临界轴压载荷的关键因素,固体发动机设计过程中增加材料刚度可有效提升其轴压稳定性。     

树脂基复合材料壳体固化降温过程的热力耦合分析

以树脂基复合材料壳体固化工艺过程为基础,对复合材料壳体的固化降温过程进行了热力耦合仿真计算,采用实体单元建立纤维缠绕壳体的数值分析模型,对壳体固化降温过程模型内部的温度场、轴向位移、应力进行了分析。结果表明,复合材料壳体和绝热层在固化降温过程中温度不断降低,芯模、空腔、芯轴的的温度先升高后降低,固化降温一段时间后,模型内部不同位置的温差趋于稳定;复合材料壳体在降温过程中沿轴向向外膨胀,前封头与后封头极孔处的轴向位移分别为6.5 mm和4.3 mm,芯模和芯轴沿轴向收缩,通过比对,位移仿真结果与实测数据一致性较好;复合材料壳体应力随固化降温时间的增加不断增大,筒段中部裙内缠绕层之间的层间剪应力大于裙外层间剪应力的值,裙连接段处裙外层间剪应力大于筒段中部层间剪应力的值。     

F-12/S-2混杂纤维复合材料壳体承载能力

为解决某型固体火箭发动机壳体承外载荷能力与质量系数难以协调的问题,通过试验测试了F-12纤维与S-2纤维层间混杂复合材料的抗压缩性能,利用混杂纤维优势提出了壳体改进方案,并进行了有限元分析。试验结果和有限元计算表明,壳体裙外铺层采用F-12/S-2混杂纤维,使壳体承外载荷能力大幅提高,混杂纤维优势得到充分发挥,解决了工程难题。     

固体发动机复合材料裙轴压屈曲载荷计算

利用线性屈曲控制方程及非线性有限元方法，对固体发动机复合材料裙在轴压作用下的屈曲进行计算。     

复合材料格栅结构稳定性分析

推导了复合材料层合壳单元和层合梁单元的切线刚度阵,并给出用于复合材料格栅结构分析的梁壳刚度阵,建立了相应的复合材料格栅壳体结构有限元模型,并对其特征值稳定性的计算进行了研究.考虑了单元剖分大小对结构屈曲临界力和模态波形图的影响,并结合实际情况分析了边界条件变化对结构屈曲稳定性的影响,为工程中复合材料格栅结构的设计提供了有益结论.     

大型纤维缠绕复合材料壳体的结构─工艺设计问题

综合分析比较了同内外大型纤维缠绕复合材料壳体研制经验，对其发展趋势及结构─工艺设计等主要问题，以及对涉及纤维、树脂基体、复合裙、壳体内外绝热层等的材料、部件、检验和具体工艺问题作了分析和讨论，提出了建议和看法。     

提高金属内衬容器承载能力的预外压法

具有金属内衬的复合材料容器的承载能力很大程度上取决于金属内衬的弹性变形范围和稳定性。基于三维弹性理论。并结合第四强度理论。研究了在施加外压力时保证金属内衬不失稳的条件下,具有金属内衬的纤维缠绕容器的应力分布情况和承载能力的改善情况。结果表明,给金属内衬施加预外压力,可以提高容器的极限承载能力,更好地发挥纤维层的承载能力。     

压剪联合载荷作用下复合材料壁板屈曲及后屈曲性能计算与优化方法研究

复合材料壁板被广泛用于航空航天结构,在外部复杂工况下壁板通常会受到面内压剪载荷的联合作用,其屈曲及后屈曲响应直接影响此类结构的极限承载能力。为此,基于改进的Koiter摄动理论,提出一种能够快速精确地开展复合材料壁板非线性屈曲分析的摄动有限元降阶方法,然后计算获得壁板的屈曲/后屈曲性能指标,即非线性屈曲载荷、后屈曲承载刚度以及承载刚度残余系数,最后将摄动降阶方法嵌套到复合材料铺层优化的分析流程中,获得压剪联合载荷下各种屈曲/后屈曲性能指标的最优铺层信息。数值算例验证了所提出方法的高效性和有效性。     

复合材料层合锥壳非线性稳定性的有限元分析

本文根据稳定性分析的前屈曲完全理论和修正型的Ｈａｈｎ－Ｔｓａｉ非线性本构关系，采用有限元法分析了复合材料层合回转壳的非线性稳定性，讨论了屈曲产壳体法向与面内支承条件和复合材料的横向和剪切非线性性能对壳体结构总体稳定性的影响，为工程结构设计者们提供了一些有益的参考意见。     

脉冲发动机复合壳体的强度分析及优化设计

采用ANSYS有限元软件对脉冲发动机复合壳体进行了结构强度分析和优化设计。用六节点三角形单元对复合壳体模型离散化；给出了复合壳体在临界压力载荷下的失效模式；分别在两种材料层中对最大应力约束下，以减少复合壳体的总质量为目标，对复合壳体的壁厚尺寸和过渡圆半径尺寸等设计变量进行了优化，并对设计变量的敏感度进行了分析。计算结果表明，在工作压力载荷下，安装在轨姿控舱体内的脉冲发动机的强度可以满足设计要求；壁厚尺寸是关键的优化设计变量，优化后脉冲发动机复合壳体的总质量可减轻5．7％。理论分析结果与试验结果相吻合。     

固体火箭发动机复合裙成型工艺研究

概述了复合裙成型工艺方案、典型复合裙的裙体结构及连接形式．介绍了国内复合裙的研制情况。采用高模量混杂树脂基体配方、整体成型工艺方案、铺层优化分析等技术．研制出~150mm、~480mm及垂1000mm复合裙。试验结果表明．复合材料连接裙性能满足设计指标．与铝裙相比，可减重30％左右。     

凹圈型初始几何缺陷对外压球形封头临界载荷的影响

依据Koiter非线性弹性稳定性理论，分析了凹圈型初始几何缺陷对外压球形对头承载能力的影响。对于凹图型初始几何缺陷，用带高斯指数调制因子的高次Legendre多项式进行数学描述。由于在基本状态，球壳能量泛函的二次变分和三次变分的积分表达式极为复杂，在计算程序中需要使用高精度算法。计算结果表明．承受均匀外压载荷作用的球形封头对于与实际屈曲模态相同的凹圈型初始几何缺陷是极为敏感的。